La capacité du calmar à correspondre à la couleur et à la luminosité de leur irisation est basée sur des mécanismes subtils


Poulpe

Crédit photo: CC0 Public Domain

Les calmars ont longtemps été une source de fascination pour les humains et fournissent l’étoffe de la légende, de la superstition et du mythe. Et ce n’est pas étonnant – leurs apparences et leur intelligence étranges, leur maîtrise de l’océan ouvert peuvent impressionner ceux qui les voient.

Les légendes mises à part, les pieuvres fascinent encore les gens aujourd’hui – des gens comme le professeur Daniel Morse de l’UC Mor Barbara – pour les mêmes raisons, bien que plus scientifiques. Les calmars ont évolué pendant des centaines de millions d’années pour chasser, communiquer, éviter les prédateurs et s’accoupler dans les vastes étendues d’eau libre, souvent indéfinissables. Ils ont développé certaines des taches cutanées les plus sophistiquées du règne animal.

«Pendant des siècles, les gens ont été étonnés de la des calmars à changer la couleur et le motif de leur peau – ce qu’ils font à merveille – pour se camoufler et communiquer sous l’eau, se faire signe aux autres et aux autres espèces de rester à l’écart, ou comme une attraction pour l’accouplement et d’autres types de signalisation », a déclaré Morse, un éminent professeur émérite de biochimie et de génétique moléculaire.

Comme leurs cousins ​​céphalopodes, la seiche et la seiche, la seiche a des cellules spéciales remplies de pigment appelées chromatophores qui se dilatent pour les exposer à la lumière, ce qui donne différentes couleurs de pigment. Cependant, Morse présente un intérêt particulier pour la capacité du calmar à et scintiller, à réfléchir différentes couleurs et à réfracter la lumière à travers sa peau. On pense que c’est un effet imitant la lumière tachetée de l’océan supérieur – la seule caractéristique d’un paysage marin par ailleurs austère. Comprendre comment les calmars parviennent à se fondre ou à se démarquer, même dans les arrière-plans les plus simples, peut potentiellement créer des matériaux avec les mêmes propriétés de réglage de la lumière pour une variété d’utilisations.

Morse a travaillé pour percer le secret de la peau de calmar au cours de la dernière décennie, avec le soutien du bureau de recherche de l’armée et des recherches publiées dans la revue Lettres de appliquéeLui et sa co-auteur Esther Taxon sont encore plus près d’élucider les mécanismes complexes qui sous-tendent la peau de calmar.

Un mécanisme élégant

« Nous avons constaté que le calmar peut non seulement ajuster la couleur de la lumière réfléchie, mais aussi sa luminosité », a déclaré Morse. Des recherches antérieures ont montré que certaines protéines appelées réflectines sont responsables de l’, mais la capacité du calmar à ajuster la luminosité de la lumière réfléchie reste un mystère, a-t-il déclaré.

Des recherches antérieures de Morse avaient découvert des structures et des mécanismes par lesquels les iridocytes – des cellules qui réfléchissent la lumière – dans la peau du calmar côtier opalescent (Doryteuthis opalescens) peuvent prendre pratiquement n’importe quelle couleur de l’arc-en-ciel. Il le fait avec la membrane cellulaire, où il se plie en structures nanométriques en accordéon appelées lamelles, formant de minuscules rainures externes d’une largeur inférieure à la longueur d’onde.

« Ces minuscules structures de rainures sont similaires à ce que nous voyons la face gravée d’un CD », a déclaré Morse. La couleur réfléchie dépend de la largeur de la rainure, qui correspond à certaines longueurs d’onde de lumière (couleurs). Dans les iridocytes de calmar, ces lamelles ont la particularité supplémentaire de pouvoir former, élargir et rétrécir ces rainures grâce à l’action d’un «moteur osmotique» remarquablement réglé, alimenté par des protéines de réflectine qui se condensent ou se dilatent dans les lamelles.

Alors que les systèmes de matériaux contenant des protéines de réflectine étaient capables d’approcher les changements de couleur irisés du calmar, les tentatives pour reproduire la capacité d’intensifier la luminosité de ces reflets ont été, selon les chercheurs, qui ont fait valoir que quelque chose n’allait pas avec cela devait être couplé, toujours aussi. reflets courts dans la peau de calmar, qui intensifient son effet.

Il s’est avéré être la membrane qui renferme les réflectines – les lamelles, les mêmes structures responsables des rainures qui divisent la lumière en ses couleurs primaires.

« Evolution a si bien optimisé non seulement la correspondance des couleurs, mais également la correspondance de la luminosité en utilisant le même matériau, la même protéine et le même mécanisme », a déclaré Morse.

La lumière à la vitesse de la pensée

Tout commence par un signal, une impulsion neurale du cerveau de la pieuvre.

« Les réflectines sont généralement chargées très positivement », a déclaré Morse à propos des protéines irisées, qui, si elles ne sont pas activées, ressemblent à un collier de perles. Leur charge égale signifie qu’ils se repoussent.

Cependant, cela peut changer lorsqu’un signal neuronal amène les réflectines à se lier à des groupes phosphate chargés négativement qui neutralisent la charge positive. Sans la répulsion qui maintient les protéines dans leur état désordonné, elles se replient et s’attirent, se rassemblant en moins d’agrégations plus grandes dans les lamelles.

Ces agrégations exercent une pression osmotique sur les lamelles, une membrane semi-perméable qui ne peut résister qu’à la pression créée par les reflets agglomérants avant que l’eau ne soit libérée à l’extérieur de la cellule.

« L’eau est extraite de la structure en accordéon, et cela effondre l’accordéon, réduisant l’espace entre les plis, ce qui revient à rapprocher les rainures d’un CD », a déclaré Morse. « De cette façon, la lumière réfléchie peut progressivement passer du rouge au vert au bleu. »

Dans le même temps, l’effondrement de la membrane concentre les réflectines, ce qui entraîne une augmentation de leur indice de réfraction et intensifie la luminosité. La pression osmotique, le moteur qui pilote ces paramètres de propriétés optiques, couple étroitement les lamelles aux réflectines dans une relation hautement calibrée qui optimise la sortie (couleur et luminosité) vers l’entrée (signal neuronal). Effacez le signal neuronal et la physique s’inversera, a déclaré Morse.

«C’est une manière très intelligente et indirecte de changer la couleur et la luminosité en contrôlant le comportement physique d’une soi-disant propriété colligative – la pression osmotique, qui n’est pas immédiatement évidente, mais la complexité du processus évolutif, les millénaires de mutation, et des sélections naturelles qui ont affiné et optimisé ces processus ensemble. « 

Films minces avec luminosité réglable

La présence d’une membrane peut être le lien critique dans le développement de films minces bioinspirés avec la capacité d’accord optique du calmar côtier opalescent.

«Cette découverte du rôle clé que joue la membrane dans l’ajustement de la luminosité de la réflectivité a un impact fascinant sur la conception des futurs matériaux hybrides hybrides et des revêtements aux propriétés optiques réglables qui pourraient protéger les soldats et leur équipement», a déclaré Stephanie McElhinny, responsable du programme au bureau de recherche de l’armée, qui fait partie du laboratoire de recherche de l’armée du commandement de développement des capacités de combat de l’armée américaine.

Selon les chercheurs, « ce couplage évolutif raffiné et efficace de la réflectine de son amplificateur osmotique est étroitement analogue au couplage adapté à l’impédance des réseaux activateur-convertisseur-amplificateur dans des systèmes électroniques, magnétiques, mécaniques et acoustiques sophistiqués. » Dans ce cas, l’activateur serait le signal neuronal, tandis que les réflectines agissent comme des transducteurs et les membranes contrôlées osmotiquement agissent comme des amplificateurs.

« Sans cette membrane qui entoure les réflectines, la luminosité de ces films minces artificiels ne change pas », a déclaré Morse, qui travaille avec des collègues ingénieurs pour étudier le potentiel d’un film mince plus semblable à un calmar. « Si nous voulons capter la puissance du biologique, nous devons construire une sorte de boîtier en forme de membrane afin de permettre un ajustement réversible de la luminosité. »


Une merveilleuse machine moléculaire


Plus d’information:
Daniel E. Morse et al., Reflectin a besoin de son amplificateur d’intensité: Exploiter le potentiel de la biophotonique structurale accordable, Lettres de physique appliquée (2020). DOI: 10.1063 / 5.0026546

Fourni par l’Université de Californie – Santa Barbara

Citation: La capacité des calmars à faire correspondre la couleur et la luminosité de leur irisation repose sur un mécanisme subtil (2021, 8 ) publié le 8 mars 2021 sur https://phys.org/news/2021-03-squids-ability – tune-bright- a été appelé. iridescence.html

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